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一种高精度激光束跟踪系统设计

作　者: 周洁
导　师: 肖韶荣
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 四象限探测器光束跟踪信号处理精度单片机
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光束自动跟踪技术对于激光通信、激光测距、激光制导等激光应用系统具有重要的意义。本系统中采用He-Ne激光器作为发射光源。激光在大气中传输时,受到大气湍流的影响,会产生光束漂移、光束抖动、光束强度闪烁,这些因素均容易引起像光斑的随机位移。如果探测系统不能实时灵敏地对光斑的微小位移做出反应并调整接收器的位置,则会导致定位不准确或定位精度不高,从而影响系统的性能。本文设计了一种高精度激光束跟踪系统,该系统主要包括四象限探测器、以超低功耗单片机MSP430为核心设计的信号处理电路、步进电机控制系统等部分。通过合理设计光路降低背景光的影响、检测四象限探测器的输出特性、检测四个信号处理通道在温度变化下的一致性等方法提高定位精度。通过相关算法计算出光斑中心坐标和修正后的坐标,证明用四通道输出电压信号求解对应的光斑中心坐标具有较高的精度。论文首先介绍了用于光电探测系统的各种光电探测器的结构、工作原理和适用情况,通过分析比较以及对本实验的实验条件和需达到的检测要求等方面的综合考虑,选择四象限光电探测器作为前端探测器件,并在实验中针对四象限探测器的不足采取了相应的方法降低影响。在信号处理电路部分,设计了前置放大电路、滤波电路、真值转换电路、次级放大电路,将探测器输出的光电流信号转换成能被单片机处理的电压信号。根据测量要求和外围器件的应用,选择MSP430单片机作为控制器,该单片机功耗超低、处理能力强大、片内外设丰富,系统工作稳定、完全能满足系统的自动控制要求。系统要求光电探测器能精确跟踪光斑位置,这一功能是通过二维方向上的步进电机实现的,步进精度为1μ m,单片机通过相关算法实时处理信号数据,据此准确地控制步进电机的运转。本实验设计并调试了系统程序,采用闭环控制的方法,实现探测器对光斑中心的精确实时跟踪。论文分析了激光光斑特性,推导了探测器输出电压和照射到探测器表面的辐通量的关系,测试了四象限跟踪系统各通道输出电压随温度变化的关系,建立了一种校正光斑中心坐标的模型,用于补偿温度变化引起的漂移量,采取控制电路工作温度的措施,实现光斑定位精度的提高。检测了四象限探测系统的输出特性,确定了该系统的线性工作范围,保证光斑位于四象限探测器的最佳测量区域。

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